2. ΨΥΧΡΟΜΕΤΡΙΚΗ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ ΤΟΥ ΚΛΙΜΑΤΙΣΜΟΥ

5 ΨΥΧΡΟΜΕΤΡΙΚΗ ΚΛΙΜΑΤΙΣΜΟΥ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ ΤΟΥ Αυτό το κεφάλαιο παρουσιάζει τη ψυχρομετρία κοινών διαδικασιών κλιματισμού, εμφανίζοντας πως η κατάσταση του υγρού αέρα μεταβάλλεται, καθώς οι αντίστοιχες διαδικασίες λαμβάνουν χώρα. 5.1 ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ ΜΕΙΞΗΣ Θεωρούμε μια αδιαβατική μείξη, διαφορετικών ποσοτήτων αέρα, οι οποίες βρίσκονται σε διαφορετικές καταστάσεις σταθερής πίεσης. Έστω ότι οι δείκτες 1 και 2 αναφέρονται στα δύο ρεύματα του αέρα και ma είναι η μάζα του ξηρού αέρα στο ρεύμα. Έτσι από το ισοζύγιο υγρασίας, για την ειδική υγρασία του μείγματος έχουμε : m a3 ω 3 = m a1 ω1 + m a 2ω 2 ή ω3 = όπου : ma1 ω1 + ma2 ω 2 m a3 (38) m a3 = m a1 + m a2 Είναι η μάζα του ξηρού αέρα στο μείγμα. Επίσης από ενεργειακό ισοζύγιο στο μείγμα, ομοίως παίρνουμε τον τύπο για την ενθαλπία του μείγματος : h3 = ma1 h1 + ma2 h2 m a3 (39) Αντικαθιστώντας τις εκφράσεις για τις ενθαλπίες της Εξίσωσης (24) στην πιο πάνω εξίσωση, έχουμε : (c t p 3 + h fg 0 ω3 = ) ma1 ma3 (c t p 1 + h fg 0 ω1 + ) m a2 m a3 (c t p 2 + h fg 0 ω 2 ) Απλοποιώντας, έχουμε την έκφραση για τη θερμοκρασία του μείγματος : t3 = ma1 t1 + ma2 t 2 m a3 + ⎤ h fg 0 ⎡ ma1 ma ω 2 ω1 + 2 − ω 3 ⎥ ⎢ cp ⎣ m a3 ⎢ m a3 ⎥ ⎦ Στην πιο πάνω σχέση ο δεύτερος όρος γίνεται μηδέν, οπότε μπορούμε να γράψουμε : t3 ≈ ma1 t1 + ma2 t 2 ma3 (40) Tο σύμβολο της προσέγγισης χρησιμοποιείται από τη στιγμή που γίνεται υπόθεση ότι η ειδική θερμότητα υγρασίας cp είναι ίδια και για τα τρία ρεύματα. Επομένως, αν ο ψυχρομετρικός χάρτης έχει σχεδιαστεί πάνω σε σύστημα συντεταγμένων ω – h, το σημείο που δείχνει την κατάσταση του μείγματος βρίσκεται στην ευθεία γραμμή ενώνοντας τις δύο καταστάσεις. Σε σύστημα με συντεταγμένες ω – t (Σχήμα 5.1) είναι μόνο προσεγγιστικά σε σχέση με αυτό. Η θέση της κατάστασης του μείγματος είναι τέτοια που να χωρίζει την ευθεία γραμμή η οποία ενώνει τις καταστάσεις 1 και 2 στο αντίστροφο κλάσμα των μαζών ma1 και ma2 των δύο ρευμάτων ξηρού αέρα. Σχήμα 5.1(α). Αδιαβατική μείξη των ρευμάτων του αέρα. Σχήμα 5.1(β). Η διαδικασία μείξης στο ψυχρομετρικό χάρτη. Παράδειγμα 5.1 30 m3/min ρεύματος υγρού αέρα στους 15 οC θερμοκρασίας ξηρού βολβού και 13 οC θερμοκρασίας υγρού βολβού ενώνονται με 12 m3/min δεύτερου ρεύματος στους 25 ο C θερμοκρασίας ξηρού βολβού και 18 οC θερμοκρασίας υγρού βολβού. Η βαρομετρική πίεση είναι μια σταθερή ατμόσφαιρα. Να προσδιοριστούν οι θερμοκρασίες ξηρού και υγρού βολβού του παραγόμενου μείγματος. Λύση Από τον ψυχρομετρικό χάρτη, έχουμε: Για το πρώτο ρεύμα t1 = 15 oC, t1’ = 13 oC, u1 = 0.827 m3/kg d.a., ω1 = 0.0084 kg w.v./kg d.a. , h = 36.85 kJ/kg d.a. Για το δεύτερο ρεύμα t2 = 25 oC, t2’ = 18 oC, u2 = 0.959 m3/kg d.a. ω2 = 0.01 kg w.v./kg d.a., h2 = 51.1 kJ/kg d.a. Οι μάζες ροής του ξηρού αέρα, θα είναι: ma1 = 30/0.827 = 36.2 kg d.a./min ma2 = 12/0.859 = 13.9 kg d.a./min Για το μείγμα ma3 = 36.2 + 13.9 = 50.1 kg d.a./min ω3 = [36.2(0.0084) + 13.9(0.01)]/50.1 = 0.00886 kg w.v./kg d.a. h3 = [36.2(36.85) + 13.9(51.1)]/50.1 = 40.8 kJ kg/d.a. Από τον ψυχρομετρικό χάρτη για ω3 και h3 DBT του μείγματος, t3 = 16 oC WBT του μείγματος, t3’ = 14.5 oC Παράδειγμα 5.2 Ρεύμα υγρού αέρα στους 2 οC ξηρού βολβού και 80 % σχετική υγρασία ενώνεται με άλλο ρεύμα υγρού αέρα, που βρίσκεται στους 30 οC ξηρού βολβού το σημείου δρόσου στους 10 οC στον λόγο των μαζών ενός μέρους του πρώτου, προς τα δύο μέρη του δευτέρου. Να υπολογιστεί η θερμοκρασία και η ειδική υγρασία του αέρα μετά την μείξη. Λύση Για το πρώτο ρεύμα ω1 = 0,0035 kg w.v./kg d.a. h1 = 10.78 kJ/kg d.a. H μάζα του ξηρού αέρα, ανά μονάδα μάζας υγρού αέρα είναι: ma1 = 1/(1 + ω1) kg = 1/1.0035 = 0.9955 kg Για το δεύτερο ρεύμα ω2 = 0,00765 kg w.v./kg d.a. h2 = 49.67 kJ/kg d.a. Η μάζα του ξηρού αέρα ανά δύο μονάδες μάζας υγρού αέρα είναι: ma2 = 2/(1 + ω2) kg = 2/1.00765 = 1.9848 kg Για το μείγμα h = [0.9965(10.78) + 1.9848(49.67)]/(0.9965 + 1.9848) = 36.68 kJ/kg d.a. ω = [0,9965(0,0035) + 1,9848(0,00765)]/(0,9965 + 1,9848) = 0,00627 kg w.v./kg d.a. 5.1.1 ΜΕΙΞΗ ΜΕ ΣΥΜΠΥΚΝΩΣΗ Όταν μια ποσότητα κρύου αέρα αναμειγνύεται με ποσότητα θερμότερου αέρα, υψηλής σχετικής υγρασίας, υπάρχει μια πιθανότητα συμπύκνωσης των υδρατμών, όπως φαίνεται στο Σχήμα 5.2 και τότε το μείγμα θα αποτελείται από κορεσμένο αέρα και συμπύκνωμα. Αν η θερμοκρασία ξηρού βολβού του μείγματος πέσει κάτω από 0 οC, το συμπύκνωμα μπορεί ενδεχομένως να παγώσει. Εξ’ αιτίας της συμπύκνωσης η ειδική υγρασία του μείγματος ω4, θα μειωθεί κάτω από ω3, που δίνεται από τη σχέση (38), όπως φαίνεται στο Σχήμα 5.2(β). Αντιστοίχως η θερμοκρασία του αέρα θα αυξηθεί στο t4 από t3, λόγω της απελευθέρωσης της λανθάνουσας θερμότητας του συμπυκνώματος. Αν ωc είναι η μάζα του συμπυκνώματος ανά μονάδα μάζας του μείγματος, έχουμε από την υγρασία και την ισορροπία ενέργειας : ή ωc = ω3 – ω4 ω4 = και ma1 ω1 + ma2 ω 2 ma1 + ma2 (41) m a4 h4 + m a4 ω c h f 4 = m a4 h3 ή h4 = ma1 h1 + ma2 h2 ma1 + ma2 − ωc h f4 (42) Σχήμα 5.2(α). Συσκευή μείξης με συμπύκνωσης. Σχήμα 5.2(β). Διαδικασία μείξης με συμπύκνωση. όπου hf4 είναι η ενθαλπία του συμπυκνώματος σε θερμοκρασία t4 του μείγματος. Οι δύο μεταβλητές προς λύση από τις Εξισώσεις (41) και (42) είναι οι t4 και ωc. Θεωρώντας διαφορετικές τιμές για την t4 και αντικαθιστώντας τα ω4, h4 και hf4, οι δύο σχέσεις μπορούν να λυθούν με τη μέθοδο δοκιμής και σφάλματος, για να ληφθεί η τελική κατάσταση μετά τη μείξη. Η μείξη με συμπύκνωση σπανίως λαμβάνει χώρα στη διαδικασία του κλιματισμού. Ωστόσο κατά τη διάρκεια του χειμώνα είναι ένα συνηθισμένο φαινόμενο στη φύση για την ομίχλη ή για τον παγετό, εξ’ αιτίας της μείξης του ψυχρού αέρα, κοντά στην επιφάνεια της γης, με τον υγρό και θερμό αέρα, ο οποίος εμφανίζεται το βράδυ ή μετά από βροχές. 5.2 ΒΑΣΙΚΕΣ ΔΙΕΡΓΑΣΙΕΣ ΣΤΟΝ ΚΛΙΜΑΤΙΣΜΟ ΤΟΥ ΑΕΡΑ Οχτώ βασικές θερμοδυναμικές διεργασίες, με τις οποίες η κατάσταση του υγρού αέρα μπορεί να μεταβληθεί, φαίνονται στο Σχήμα 5.3. Αυτές είναι : (i) Αισθητή θέρμανση – διεργασία ΑΟ (ii) (i) (ii) (iii) (iv) (v) (vi) Αισθητή ψύξη – διεργασία ΟΒ Ύγρανση – διεργασία OC Αφύγρανση – διεργασία OD Θέρμανση και ύγρανση – διεργασία OE Ψύξη και αφύγρανση – διεργασία ΟF Ψύξη και ύγρανση – διεργασία OG Θέρμανση και αφύγρανση – διεργασία ΟΗ Σχήμα 5.3. Βασικές ψυχρομετρικές διεργασίες. Οι δύο πρώτες διεργασίες, δηλαδή η αισθητή θέρμανση και η αισθητή ψύξη εμπεριέχουν μόνο μια αλλαγή της θερμοκρασίας ξηρού βολβού, ενώ οι διεργασίες της ύγρανσης και της αφύγρανσης εμπεριέχουν μια αλλαγή στην ειδική υγρασία. Έτσι όταν η κατάσταση του αέρα μετακινείται από το Ο στο Α ή το Β, δεν υπάρχει καμία αλλαγή στο περιεχόμενο της υγρασίας του. Αν η κατάσταση πάει από το Ο στο C ή το D η θερμοκρασία ξηρού βολβού παραμένει σταθερή. Ωστόσο πιο πρακτικές διεργασίες που μεταφέρουν υγρασία, περιέχουν και αλλαγή της θερμοκρασίας. Οι τελευταίες τέσσερις θεμελιώδεις διεργασίες που υπάρχουν πιο κάτω εμπεριέχουν και τις δύο αλλαγές, τόσο στη θερμοκρασία, όσο και στην υγρασία. Τώρα θα μελετήσουμε υπολογισμούς για τις διεργασίες που εμπεριέχουν αλλαγές στη θερμοκρασία και την υγρασία. 5.2.1 ΔΙΕΡΓΑΣΙΑ ΤΗΣ ΑΙΣΘΗΤΗΣ ΘΕΡΜΑΝΣΗΣ – ΘΕΡΜΑΝΣΗ Ή ΨΥΞΗ Όταν η κατάσταση του υγρού αέρα μεταβάλλεται κατά μήκος της σταθερής γραμμής του ω, όπως τη διεργασία ΑΒ στο Σχήμα 5.4, η θέρμανση που μεταφέρεται και αλλάζει τη θερμοκρασία του αέρα, δίνεται ως εξής : Qs = macp(tB – tA) = macp(tB – tA) + maωcpv(tB – tA) = ma(1.005 + 1.88ω)(tB – tA) = ma(hB – hA) (43) όπου cp είναι η ειδική θερμότητα υγρασίας. Αυτή η θερμότητα που έχει δείκτη s, ονομάζεται αισθητή θερμότητα. Αν ένα κτήριο που κλιματίζεται δεχτεί η χάσει θερμότητα, λόγω μεταφοράς ή άλλου λόγου, θεωρείται ότι έχει φορτίο αισθητής θερμότητας. Επίσης η θερμότητα στα κτήρια απαιτεί τον κλιματισμό του αέρα σε χαμηλότερες θερμοκρασίες, προκαλώντας ένα φορτίο ψύξης στο εξοπλισμό του κλιματισμού. Ωστόσο η απώλεια θερμότητας στα κτήρια απαιτεί τη θέρμανση του αέρα, προκαλώντας φορτίο θερμότητας στο εξοπλισμό. Και στις δύο περιπτώσεις λέγεται αισθητό φορτίο θερμότητας. Στη σχέση (43) το ma εκφράζει την παροχή μάζας του ξηρού αέρα που ρέει. Γενικά η παροχή του αέρα μετριέται σε κυβικά μέτρα αέρα ανά λεπτό (cmm). Έτσι η μαζική παροχή του αέρα μπορεί να υπολογιστεί ως εξής : ma = Qvρ (44α) Όπου Qv είναι η παροχή του όγκου του αέρα. Εκφράζοντας αυτό σε κυβικά μέτρα αέρα ανά λεπτό (cmm), έχουμε : ma = (cmm)ρ 60 kg ξ.α./s (44β) Για τη διευκόλυνση των υπολογισμών, ο κανονικός αέρας λαμβάνεται στους 20 οC και 50 % RH. Η πυκνότητα του κανονικού αέρα είναι περίπου 1,2 kg/m3 ξ.α.. Η τιμή της ειδικής θερμότητας υγρασίας λαμβάνεται στα 1,0216 kJ/(kg ξ.α.)(K). Αντικαθιστώντας αυτά στη σχέση (43), προκύπτει: Qs = 60 = 0.0204 (cmm)Δt, kW (cmm )(1,2 )(1,0216 ) Δt (45) Αξίζει να σημειωθεί ότι ενώ η απλή θέρμανση του υγρού αέρα μπορεί να γίνει για κάθε επιθυμητή θερμοκρασία, η ψύξη μπορεί να γίνει μόνο πάνω από τη θερμοκρασία σημείου δρόσου, δηλαδή πάνω από το td στο Σχήμα 5.4. Η ψύξη κάτω από αυτή τη θερμοκρασία θα προκύπτει από τη συμπύκνωση των υδρατμών. Σχήμα 5.4. Διεργασία αισθητής θερμότητας. Σχήμα 5.5. Διεργασία λανθάνουσας θερμότητας 5.2.2 ΔΙΕΡΓΑΣΙΑ ΤΗΣ ΛΑΝΘΑΝΟΥΣΑΣ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ – ΥΓΡΑΝΣΗ Ή ΑΦΥΓΡΑΝΣΗ Όταν η κατάσταση του αέρα μεταβάλλεται κάθετα στον άξονα των t (t = σταθερό), όπως η διεργασία BC στο Σχήμα 19, η υγρασία των υδρατμών πρέπει να μεταφερθεί, ώστε να αλλάξει το ποσοστό υγρασίας του αέρα. Αυτή η μεταφορά της υγρασίας δίνεται από τον τύπο : G = ma (ωC - ωB) (46) Εξ’ αιτίας αυτής της αλλαγής στο ποσοστό υγρασίας, υπάρχει επίσης αλλαγή στην ειδική ενθαλπία του αέρα, που δίνεται ως (hC – hB), όπως φαίνεται στο Σχήμα 19. Κατά την πράξη του κλιματισμού αυτή η αλλαγή της ενθαλπίας, λόγω της αλλαγής του ποσοστού υγρασίας, θεωρείται ότι προκαλεί μεταφορά λανθάνουσας θερμότητας και δίνεται από τον τύπο : QL = ma (hC – hB) = ma (cptC + h fg 0 ωC) – (cptB + h fg 0 ωB) = ma h fg 0 (ωC – ωB) =G h fg 0 (47) στους πιο πάνω υπολογισμούς το cp θεωρήθηκε ότι είναι το ίδιο για τις θέσεις B και C. Είναι προφανές ότι αν και ο όρος λανθάνουσα θερμότητα φαίνεται να είναι εσφαλμένος, η ποσότητα QL είναι ανάλογη της λανθάνουσας θερμότητας ατμοποίησης hfg0. Αυτό σημαίνει ότι αν το νερό ατμοποιείται ή συμπυκνώνεται στη θερμοκρασία του αέρα, η αναγκαία θερμότητα που μεταφέρεται πρέπει να είναι ίση με QL. Επομένως αν ένα κτήριο κερδίζει ή χάνει υγρασία, θεωρείται ότι έχει ένα φορτίο λανθάνουσας θερμότητας. Το κέρδος υγρασίας θα απαιτεί τη ψύξη της υγρασίας για την αφύγρανση του αέρα στη συσκευή του κλιματισμού, και για αυτό ένα φορτίο ψύξης. Αντιθέτως, η απώλεια υγρασίας θα απαιτεί εξάτμιση του νερού για την ύγρανση του αέρα στη συσκευή, και για αυτό ένα φορτίο θέρμανσης. Θέτοντας 2500 για το h fg 0 στην σχέση (47) και χρησιμοποιώντας τον τύπο (44β) για το ma, έχουμε : QL = (cmm)(1.2)(2500)/60 Δω = 50 (cmm) Δω, kW (48) 5.2.3 ΔΙΕΡΓΑΣΙΑ ΟΛΙΚΗΣ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ Θεωρούμε μια αλλαγή στην κατάσταση του αέρα κατά μήκος της πορείας AC, όπως φαίνεται στο Σχήμα 5.6. Αυτό περιλαμβάνει τόσο αλλαγή της θερμοκρασίας, όσο και αλλαγή του ποσοστού υγρασίας. Η αλλαγή θερμοκρασίας προκαλεί ένα φορτίο αισθητής θερμότητας που δίνεται ως : QS = ma(hB – hA) = macp(tC – tA) (49) Η αλλαγή στο ποσοστό υγρασίας προκαλεί μεταφορά υδρατμών, που δίνεται από : G = ma(ωC – ωA) Και το φορτίο της λανθάνουσας θερμότητας δίνεται : QL = ma(hC – hB) =ma h fg 0 (ωC – ωA) (50) από τις σχέσεις (49) και (50) παίρνουμε έναν τύπο για το φορτίο της ολικής θερμότητας : Q = QS + QL = ma(hC – hA) =ma[cp(tC– tA) + h fg 0 (ωC – ωΑ)] (51α) (51β) Σχήμα 5.6. Διεργασία ολικής θερμότητας. Εκφράζοντας τη ταχύτητα ροής της μάζας σε cmm, έχουμε : Q= 60 = 0.02(cmm) Δh (cmm )(1,2) Δh (52α) το οποίο είναι ίδιο με : Q = (cmm)(0.0204Δt + 50Δω) (52β) 5.2.4 ΣΥΝΤΕΛΕΣΤΗΣ ΑΙΣΘΗΤΗΣ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ (SHF) O λόγος της αισθητής θερμότητας που μεταφέρεται προς την ολική θερμότητα που μεταφέρεται, ονομάζεται συντελεστής αισθητής θερμότητας. SHF (Sensible Heat Factor) Δηλαδή : SHF = QS Q = S QS + Q L Q Αντικαθιστώντας τις τιμές των Q, Qs και QL από τις σχέσεις (45) και (52), παίρνουμε : SHF = hB − h A h − hA = B (hB − hA ) + (hC − hB ) hC − hA 0,0204Δt 0,0204Δt = = 0,0204Δt + 50Δω 0,02Δh (53) Από το Σχήμα 20 παρατηρείται ότι το σημείο Β χωρίζει τη διεργασία της ολικής ενθαλπίας (hC – hA) σε SHF και (1 – SHF). Η μεταφορά της αισθητής θερμότητας, που λαμβάνει χώρα κατά μήκος της ΑΒ, είναι ανάλογη του συντελεστή αισθητής θερμότητας και η μεταφορά της λανθάνουσας θερμότητας, που λαμβάνει χώρα κατά μήκος της BC, είναι ανάλογη του (1 – SHF). Η γραμμή διεργασίας ΑΒ, ονομάζεται γραμμή του συντελεστή αισθητής θερμότητας ή διεργασία ή γραμμή συνθήκης. Είναι προφανές ότι ο συντελεστής της αισθητής θερμότητας της μονάδας δεν ανταποκρίνεται σε μεταφορά λανθάνουσας θερμότητας και η γραμμή του συντελεστή αισθητής θερμότητας είναι οριζόντια στο ψυχρομετρικό χάρτη. Ωστόσο η μηδενική γραμμή του συντελεστή αισθητής θερμότητας είναι κάθετη στο ψυχρομετρικό χάρτη και δεν χρειάζεται μεταφορά αισθητής θερμότητας. Ο συντελεστής της αισθητής θερμότητας από 0,75 ως 0,8 είναι συνηθισμένος κατά τον κλιματισμό. Μια χαμηλότερη τιμή αυτού του συντελεστή χρειάζεται υψηλότερο φορτίο λανθάνουσας θερμότητας. Απλοποιώντας τη σχέση (53) έχουμε : SHF = 1 1 + 2451 Δω Δt (54) = όπου : tanθ = 1 1 + tan θ Δω Δt 1 ⎛ 1 ⎞ = − 1⎟ ⎜ 2451 ⎝ SHF ⎠ (55) Βλέπουμε ότι το θ είναι η κλίση της γραμμής του συντελεστή αισθητής θερμότητας ΑΒ στον ψυχρομετρικό χάρτη, που είναι καθαρά μια συνάρτηση του συντελεστή αισθητής θερμότητας. Έτσι όταν χρειάζεται να γίνει η χάραξη της γραμμής διεργασίας στον ψυχρομετρικό χάρτη, πρέπει να γνωρίζουμε δύο πράγματα : (i) (ii) την αρχική κατάσταση του αέρα τον συντελεστή αισθητής θερμότητας Υπάρχουν τρεις τρόποι με τους οποίους η γραμμή του συντελεστή αισθητής θερμότητας μπορεί να σχεδιαστεί στον ψυχρομετρικό χάρτη, γνωρίζοντας αυτά τα δύο δεδομένα. Οι τρόποι είναι : 1. Στην πρώτη μέθοδο , υπολογίζουμε πρώτα το tanθ. Έπειτα κινούμεθα καθέτως κατά συγκεκριμένη απόσταση Δω από την αρχική κατάσταση και μετά οριζοντίως κατά απόσταση Δt=(Δω)(tanθ) Τέλος Ενώνουμε το ληφθέν σημείο με το σημείο της αρχικής κατάστασης. 2. Στη δεύτερη μέθοδο , κινούμεθα καθέτως για συγκεκριμένη ενθαλπική διεργασία ΔhL. Αυτό είναι ανάλογο της διεργασίας λανθάνουσας θερμότητας. Μετά κινούμεθα οριζοντίως κατά το ισοδύναμο της διεργασίας αισθητής θερμότητας σε σχέση με την ενθαλπία που ⎛ SHF ⎞ δίνεται από ΔhS = (ΔhL )⎜ ⎟ ⎝ 1 − SHF ⎠ Και πάλι ενώνουμε το τελικό με το αρχικό σημείο. 3. Η τρίτη μέθοδος χρησιμοποιεί μια νομογραφική μέθοδο με κάποιους χάρτες κατά την οποία δίνεται μια κλίμακα για το SHF. Επίσης παρέχεται και ένα σημείο αναφοράς το οποίο ενώνεται με το αρμόζον SHF στην κλίμακα. Έπειτα μια γραμμή από το σημείο αρχικής κατάστασης μπορεί να σχεδιαστεί παραλλήλως της ανωτέρω γραμμής , η οποία θα δώσει την απαιτούμενη γραμμή SHF. 5.3 ΨΥΧΡΟΜΕΤΡΙΚΕΣ ΜΕΤΑΒΟΛΕΣ ΣΕ ΚΛΙΜΑΤΙΣΤΙΚΕΣ ΣΥΣΚΕΥΕΣ Στο Εδάφιο 5.2 καταγράφονται οκτώ βασικές ψυχρομετρικές διεργασίες. Παρ’ όλ’ αυτά , δεν είναι δυνατόν όλες τους να επιτευχθούν στην πράξη με τη χρήση των γνωστών κλιματιστικών συσκευών. Ακόμα και αν μια διεργασία μπορεί να εκτελεστεί για κάποιο συγκεκριμένο εύρος , μπορεί να μην είναι δυνατόν να επιτευχθεί στο πλήρες εύρος. Οι περιορισμοί των πρακτικών ψυχρομετρικών διεργασιών και οι αντιστοίχως χρησιμοποιούμενοι τύποι εξοπλισμού εξετάζονται παρακάτω. Πριν από αυτό , όμως θα συζητήσουμε την έννοια του Συντελεστή Παράκαμψης , ο οποίος είναι μια ζωτική παράμετρος που δηλώνει την απόδοση μιας κλιματιστικής συσκευής. 5.3.1 ΣΥΝΤΕΛΕΣΤΗΣ ΠΑΡΑΚΑΜΨΗΣ Το Σχήμα 5.7 δείχνει τις διεργασίες που υποβάλλεται ο υγρός αέρας καθώς ρέει πάνω σε επιφάνεια. Ο αέρας εισέρχεται στο 1 και εξέρχεται στο 2 , καθώς η επιφάνεια διατηρείται στο S. Στη μεταφορά της θερμότητας και των υδρατμών , σε οιαδήποτε κλιματιστική διεργασία , τα σωματίδια του ρεύματος του αέρα έρχονται σε επαφή με κάποια επιφάνεια. Η κατάσταση του εφαπτόμενου αέρα είναι αυτή του κορεσμένου αέρα στις θερμοκρασίες της επιφάνειας. Υπάρχει επομένως ένα ισοδύναμο πλήρους επαφής ενός συγκεκριμένου τμήματος των σωματιδίων αέρα με την επιφάνεια ή καμία επαφή ή μια ισοδύναμη παράκαμψη των απομείναντων σωματιδίων. Ο ανέπαφος αέρας παραμένει στην κατάσταση εισόδου. Η τελική κατάσταση του αέρα είναι ίδια με αυτή που προκύπτει από τη μίξη των εφαπτόμενων και ανέπαφων σωματιδίων, ήτοι , 2 όπως φαίνεται στο Σχήμα 5.7. Σχήμα 5.7. Συντελεστής παράκαμψης και κατάσταση εξερχόμενου αέρα. Έτσι μπορεί κανείς να ορίσει το Συντελεστή Παράκαμψης BPF (By-Pass Factor) της συσκευής , που θα αντιπροσωπεύει το κλάσμα του ‘ανέπαφου’ αέρα σε σχέση με τις καταστάσεις 1,2,S , ως : Χ= t 2 − t S 2 − S h2 − hS = = t1 − t S 1 − S h1 − hS Αντιστρόφως μπορούμε να ορίσουμε ένα συντελεστή επαφής (1-Χ) που θα αντιπροσωπεύει το κλάσμα του εφαπτόμενου αέρα. Έτσι ο Συντελεστής Παράκαμψης μπορεί να οριστεί σε σχέση με τη θερμοκρασία ή την ειδική υγρασία ή την ενθαλπία του αέρα. Κατά την απουσία συγκεκριμένων δεδομένων , οι τιμές και των τριών μπορούν να θεωρηθούν ίδιες. Μπορούμε να δούμε στο Σχήμα 5.7 ότι η κατάσταση 2 διαιρεί τη γραμμή που ενώνει το 1 και το S σε λόγο Χ και (1-Χ). 5.3.2 ΨΥΚΤΙΚΕΣ ΚΑΙ ΑΠΟΞΗΡΑΝΤΙΚΕΣ ΣΠΕΙΡΕΣ Ο υγρός αέρας μπορεί να υποχρεωθεί να περάσει μέσα από μια παράταξη ψυκτικών σπειρών που μπορεί να είναι τύπου άμεσης επέκτασης , ή μπορεί να φέρουν παγωμένο νερό ή άλμη ως δευτερεύον ψυκτικό. (Σχήμα 5.8) Σχήμα 5.8. Ψυκτική και αφυγραντική σπείρα. Έπειτα λαμβάνει χώρα αισθητή ή απλή ψύξη του αέρα καθώς ρέει πάνω από ξηρή ψυκτική σπείρα της οποίας η επιφανειακή θερμοκρασία tS είναι χαμηλότερη από τη θερμοκρασία ξηρού βολβού του αέρα , καθώς φαίνεται στο Σχήμα 5.9. Ο αέρας ψύχεται κατά μήκος της σταθερής γραμμής DPT. Η κατάσταση εξερχόμενου αέρα εξαρτάται από το Συντελεστή Παράκαμψης της σπείρας. Άρα στο Σχήμα 5.9 η κατάσταση εξερχόμενου αέρα είναι 2 για BPF ίσο με Χ. Ο BPF μπορεί να μειωθεί και η κατάσταση εξερχόμενου αέρα μπορεί να πλησιάσει την επιφανειακή θερμοκρασία της σπείρας , αυξάνοντας τον αριθμό των σειρών στη σπείρα. Υπάρχει ένα ελάχιστο στη θερμοκρασία σπείρας για απλή ψύξη , ήτοι , td που είναι ίση με τη θερμοκρασία του σημείου δρόσου του εισερχόμενου αέρα. Σχήμα 5.9. Απλή ψύξη. Το Σχήμα 5.9 δείχνει επίσης μια διεργασία κατά τη διακεκομμένη γραμμή 1-S , με την κατάσταση του εξερχόμενου αέρα να είναι στο 2’. Μια τέτοια διεργασία όμως θα συνέβαινε εάν η σπείρα ήταν ψεκασμένη με νερό στη θερμοκρασία tS . Φαίνεται ότι η ψυκτική διεργασία συνοδεύεται από υγροποίηση. Δεν υπάρχει μέθοδος με την οποία μπορούμε να έχουμε απλή αποξήρανση αέρα. Οι αποξηραντικές διεργασίες συνοδεύονται με την ταυτόχρονη ψύξη είτε θέρμανση του αέρα. Η αποξήρανση θα λάβει χώρα μαζί με ψύξη αν ο υγρός αέρας ρέει πάνω από ψυκτική σπείρα της οποίας η μέση επιφανειακή θερμοκρασία tS είναι κάτω της θερμοκρασίας του σημείου δρόσου td του εισερχόμενου αέρα όπως φαίνεται στο Σχήμα 5.10. Ανάμεσα στον αέρα και την επιφάνεια , λαμβάνει χώρα μεταφορά αμφότερης αισθητής και λανθάνουσας θερμότητας. Για τη μεταφορά αισθητής θερμότητας το δυναμικό που την προκαλεί είναι η μερική διαφορά πίεσης (t-is). Για τη μεταφορά λανθάνουσας θερμότητας το δυναμικό που την προκαλεί είναι η μερική διαφορά πίεσης (pv-pvs) ή η αντίστοιχη διαφορά ειδικής υγρασίας (ω-ωs), όπου pvs είναι η μερική πίεση των υδρατμών στον αέρα , γύρω από την άμεση περιοχή της επιφάνειας στη θερμοκρασία ts. To πραγματικό μονοπάτι που ακολουθεί η διεργασία θα είναι μια καμπύλη 1-S εξαρτώμενη από τους τελεστές μεταφοράς θερμότητας και μάζας. Έστω ότι το μονοπάτι αυτό είναι η ευθεία γραμμή 1-S. H κατάσταση του εξερχόμενου αέρα θα είναι στο 2 ως αποτέλεσμα του BPF της σπείρας. Σχήμα 5.10. Ψύξη και αφύγρανση. Υπάρχει όμως ένας περιορισμός στο πρακτικό όριο αυτής της διεργασίας. Το όριο αυτό φτάνει στη γραμμή 1-S’ του Σχήματος 5.10 , όπου γίνεται εφαπτομένη στη γραμμή κορεσμού. Συντελεστής αισθητής θερμότητας χαμηλότερος απ αυτόν της γραμμής 1-S’ δε μπορεί να επιτευχθεί σε οποιαδήποτε κλιματιστική διεργασία με δοθείσα κατάσταση εισερχόμενου αέρα στο 1. Ακόμα και για τη διεργασία 1-S’ , μια πολύ μικρή τιμή της επιφανειακής θερμοκρασίας t’s θα απαιτείτο , με αποτέλεσμα ένα πολύ μικρό συντελεστή απόδοσης της ψυκτικής μονάδας. Τέτοια περίπτωση ανακύπτει όταν το λανθάνον θερμικό φορτίο είναι υψηλό και η γραμμή SHF είναι απότομη. Παράδειγμα 5.3 39,6 cmm μείγματος, ανακυκλώσιμου αέρα δωματίου και εξωτερικού αέρα, εισέρχεται σε ψυκτική σπείρα σε θερμοκρασίες 31 οC DB και 18,5 οC WB. Η θερμοκρασία της ενεργούς επιφάνειας της σπείρας είναι 4,4 οC.Η περιοχή επιφάνειας της σπείρας δίνει 12,5 kW της ψύξης με τη δεδομένη κατάσταση του εισερχόμενου αέρα. Να προσδιοριστούν οι θερμοκρασίες ξηρού και υγρού βολβού του αέρα που φεύγει από την σπείρα και τον συντελεστή παράκαμψης της σπείρας. Λύση Από το σχήμα 5.10, έχουμε Για το σημείο δρόσου της συσκευής: ωs = 5,25 g/kg d.a. hs = 17.7 kJ/kg d.a. Η κατάσταση του εισερχόμενου αέρα: ω1 = 8,2 g/kg d.a. u1 = 0.872 m3/kg d.a. h1 = 52.5 kJ/kg d.a. Η ροή μάζας του ξηρού αέρα: ma = Qv/u = 39.6/0.872 = 44.41 kg d.a./min Το ψυκτικό φορτίο ανά kg ξηρού αέρα: h1 – h2 = Q/ma = (12.5)(60)/44.41 = 16.89 kJ/kg d.a. Η ενθαλπία του αέρα που φεύγει από την σπείρα: h2 = 52.5 – 16.89 = 35.61 kJ/kg d.a. H εξίσωση για τη θέση γραμμής: (h1 – h2)/(h1 – hs) = (ω1 – ω2)/(ω1 - ωs) (52,5 – 35,61)/(52,5 – 17,7) = (8,2 – ω2)/(8,2 – 5,25) όπου: ω2 = 6,77 g w.v./kg d.a. Οι θερμοκρασίες ξηρού και υγρού βολβού του αέρα που φεύγει από τη σπείρα, σημειώνοντας τα h2, ω2 στον ψυχρομετρικό χάρτη: t2 = 18.6 oC t2’ = 12.5 oC O συντελεστής παράκαμψης της σπείρας: X = (h2 – hs)/(h1 – hs) = (35.61 – 17.7)/(52.5 – 17.7) = 0.515 5.3.3 ΘΕΡΜΑΝΤΙΚΕΣ ΣΠΕΙΡΕΣ Αισθητή ή απλή θέρμανση αέρα λαμβάνει χώρα όταν έχουμε ροή πάνω από θερμαντικές σπείρες , παρόμοιες με τις ψυκτικές και αποξηραντικές σπείρες του Σχήματος 5.8 των οποίων η επιφανειακή θερμοκρασία ts είναι υψηλότερη από τη θερμοκρασία ξηρού βολβού του αέρα (Σχήμα 5.11). Δεν υπάρχει κρίσιμο όριο στη θερμοκρασία της σπείρας για αισθητή θέρμανση. Το θερμαντικό μέσο εντός της σπείρας μπορεί να είναι ατμός , θερμά αέρια , κτλ. Σχήμα 5.11. Απλή θέρμανση. 5.3.4 ΥΓΡΑΝΤΗΡΕΣ ΑΕΡΟΣ Το Σχήμα 5.12 δείχνει μια σχηματική αναπαράσταση ενός υγραντήρα αέρος. Περιλαμβάνει τη ροή του αέρα μέσω αιωρήματος νερού. Κατά την πορεία της ροής , ο αέρας μπορεί να ψυχθεί ή να θερμανθεί , να υγροποιηθεί ή να αποξηρανθεί , η απλά να κορεστεί αδιαβατικά , αναλόγως της μέσης επιφανειακής θερμοκρασίας του νερού. Το νερό , αναλόγως , ψύχεται ή θερμαίνεται εξωτερικά , ή απλώς ανακυκλώνεται από μια αντλία. Νερό πλήρωσης προστίθεται για κάθε απώλεια στην περίπτωση της ύγρανσης αέρα. Πλάκες αποκλεισμού παρέχονται για την ελαχιστοποίηση της απώλειας των σταγονιδίων νερού. Το Σχήμα 5.13 δείχνει τις θερμοδυναμικές αλλαγές κατάστασης του αέρα κατά μήκος των διαδρομών 1-2 σε έναν υγραντήρας αέρα , που εξαρτάται από τη μέση επιφανειακή θερμοκρασία των σταγονιδίων νερού ts , η οποία είναι ίση με την πραγματική θερμοκρασία του νερού tw. Επομένως τα σταγονίδια νερού δρουν ως υγρή επιφάνεια και γίνεται μεταφορά τόσο αισθητής όσο και λανθάνουσας θερμότητας. Οι διευθύνσεις τους θα εξαρτώνται από τη θερμοκρασία και τα ενδεχόμενα πίεσης του ατμού. Οι κάτωθι διεργασίες είναι πιθανές: Σχήμα 5.12. Υγραντήρας αέρα. Διεργασία 1-2Α : Θέρμανση και ύγρανση (ts>t1) H μέση επιφανειακή θερμοκρασία του νερού είναι μεγαλύτερη από τη θερμοκρασία ξηρού βολβού του αέρα. Το νερό θερμαίνεται εξωτερικά. Διεργασία 1-2Β : Ύγρανση (ts=t1) H μέση επιφανειακή θερμοκρασία του νερού είναι ίση με τη θερμοκρασία ξηρού βολβού του αέρα. Το νερό θερμαίνεται εξωτερικά. Διεργασία 1-2C : Ψύξη και ύγρανση (t’1